（机械电子工程专业论文）基于sx52bd的嵌入式web服务器的设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着互联网的日益普及，信息共享的程度不断提高，如何通过互联网共享以 单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备的信息，即如何实现嵌入式系统的 i n t e m e t 接入，己成为人们越来越关注的研究课题 本文首先研究了国内外嵌入式系统i n t e r n e t 接入的现状，以及各种方案的优缺 点，并最终提出了一种基于s x 5 2 b d 微控制器的嵌入式w e b 服务器的实现方案。 本文设计实现的嵌入式w e b 服务器的硬件主要由s x 5 2 b d 微控制器，以太网 控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，串行存储器2 4 l c 2 5 6 和串行电平转换芯片m a x 2 3 2 组成。 一方面，s x 5 2 b d 微控制器通过设计实现的r s 2 3 2 接1 3 与其它嵌入式系统进行数 据通信；另一方面，s x 5 2 b d 微控制器内部要实现t c p i p 协议栈，并驱动网络接 口控制器r t l 9 0 1 9 a s ，再经耦合隔离变压器h r 9 0 1 1 7 0 a 和以太网以实现嵌入式系 统的i n t e r n e t 接入 在s x 5 2 b d 微控制器内部嵌入t c p i p 协议栈是嵌入式w e b 服务器实现的关 键。本文在对t c p i p 协议进行了深入研究和分析的基础上，对t c p i p 协议进行 合理的简化，选择实现了a r p 、i p 、i c m p 、t c p 和h t r p 协议。这样，i n t e m e t 上的远程用户就可以通过浏览器访问嵌入式w e b 服务器，进而实现对嵌入式系统 的远程控制和监测。 本文设计实现的嵌入式w e b 服务器具有成本低，体积小，速度快，通用性强， 使用方便等优点，为远程监控、远程诊断和维护等应用提供了有利的解决方案， 可以在信息家电、工业控制自动化、智能仪表及传感技术等多个领域得到广泛的 应用，具有较高的理论及应用价值 关键词嵌入式系统；w e b 服务器；以太网：因特网；t c p i p 协议 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i z a t i o no fi n t e m e ta n dw i t ht h ei m p m v e m e mo f i n f o r m a t i o ns h a r i n g ，h o wt os h a r et h ei n f o r m a t i o ni ns m a l le m b e d d e ds y s t e m sc e n t e r e d o nm c ut h r o u g hi n t e r n e t , t h a ti st o s a y , h o wt oi m p l e m e n tt h ei n t e r c o n n e c t i o n b e t w e e ne m b e d d e ds y s t e m sa n di n t e r n e t , h a sb e e nav e r yp o p u l a rr e s e a r c hs u b j e c t a f t e rr e s e a r c h i n gt h es t a t u s p r oo fe m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g ya n da f t e r a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e 、，e e a l m e t h o d s , am e t h o db a s e do ns x 5 2 b dm i c r o c o n t r o l l e rt oi m p l e m e n ta ne m b e d d e dw e b s e r v e ri sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e 豇n b e d d e dw e bs e r v e rd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do fs x 5 2 b d m i c r o c o n t r o l l e r , e t h e m e tc o n t r o l l e rr t l 8 0 1 9 a s ，s e r i a le z p r o m2 4 l c 2 5 6a n dr s 2 3 2 d r i v e r r e c e i v e rm a ) ( 2 3 2 o nt h eh a n d s x 5 2 b dm i c r o c o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t h e m b e d d e ds y s t e m st h r o u g hr s 2 3 2i n t e r f a c e ；o nt h eo t h e rh a n d , i ti m p l e m e n t st c p i p l e a n , a n dc o m m u n i c a t e sw i t hi n t e m e tt h r o u g hr t l 8 0 1 9 a s h r 9 0 11 7 0 aa n de t h e m e t t oi m p l e m e mt h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e ne m b e d d e ds y s t e m sa n di n t e m e t h o wt oi m p l e m e mt h et c p 口l e a ni ns x 5 2 b dm i c r o c o n t r o l l e ri st h ek e yt o i m p l e m e n ta w e bs e r v e r b ya n a l y z i n gt h et c p i pp r o t o c o l sd e e p l y , t h i sd i s s e r t a t i o n s i m p l i f i e st h et c p i pl e a na n do n l yi m p l e m e n t sa r p ) i p , i c m pa n dh r r pp r o t o c o l s t h u s ，r e m o t eb s e r so ni n t e r a c tc a nv i s i tt h i sw e bs e r v e rt h r o u g hw e bb r o w s e rt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h ee m b e d d e ds y s t e m sr e m o t e l y t h ew e bs e r v e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a ss e v e r a l a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t s ，s m a l lv o l u m e ，h i g hs p e e d ，g o o dc u r r e n c ya n dg o o d c o n v e n i e n c e i ti sa ne x c e l l e n tm e t h o dt or e m o t e - m o n i t o r , r e m o t e - c o n t r o la n d r e m o t e - d i a g n o s es y s t e m s ，a n di tc a r lb eu s e di nal o to ff i e l d ss u c ha si n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o n , s m a r ti n s t r u m e n ta n ds e n s o rt e c h n i q u e s o ，i tw i l l h a v eaw o n d e r f u la p p l i e dp e r s p e c t i v e ，a n dw i l la l s oh a v eg o o da p p l i c a t i o na n dt h e o r y v a l u e k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m s ；w e bs e r v e r = e t h e m e hi n t e m e t ；t c p i pp r o t o c o l s v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：当幽 日 刀、 期：型：! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：马丞冱导师签名： 第l 章绪论 第1 章绪论 二十一世纪的今天，人们生活在一个信息时代，i n t e m e t 的出现和迅速发展极 大地改变了、也正在改变着人们的生活方式，它允许人们更加舒适、更加方便和 更加迅捷地获取、管理和传递信息，可以说，i n t e r a c t 已成为我们生活中不可或缺 的一部分 现如今，随着计算机、网络通信和i n t e m e t 技术的飞速发展和不断进步，随着 嵌入式系统在家庭和工业的各个领域得到越来越广泛的应用，如何将嵌入式系统 接入i n t e m e t ，从而综合利用嵌入式系统资源，实现对嵌入式系统的远程管理和控 制，已成为人们越来越关注的研究课题【1 1 1 1 应用背景 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用， 软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求 的专用计算机系统 2 1 。它一般指非p c 系统，由硬件和软件两部分组成。硬件包括 嵌入式微控制器( m c u ) 、存储器及外设器件和i o 端口等；软件主要是指应用程 序。嵌入式系统以其低功耗、体积小、便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特 点，广泛地应用于工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费电子类等多 个领域，具有极其广阔的应用前景 3 1 1 4 1 。 此外，随着计算机技术、网络技术、通信技术及半导体技术的飞速发展以及 i n t e m e t 技术的不断渗透，嵌入式系统正变得越来越智能化并具有越来越多的网络 友好特性，实现嵌入式系统的网络化已成为嵌入式系统的发展趋势1 5 】1 6 1 。于是，如 何实现嵌入式系统的i n t e m e t 连接，以实现对嵌入式系统的远程控制和监测，已成 为当今信息界关注的焦点 实现嵌入式系统的i n t e m e t 接入，使其成为i n t e m e t 中独立的节点，使得用户 可以通过网络，方便、快捷、低廉地进行远程控制、监测和信息发布和传统的、 独立工作的嵌入式系统相比。添加了网络功能的嵌入式系统为用户提供了巨大的 l 山东大学硕士学位论文 方便，具有深远的意义： ( 1 ) 通过网络，用户可以从全球的任何一个角落实现对设备的监控； ( 2 ) 通过网络可以传输包括图像在内的任何数据信号； ( 3 ) 不需要专用的通信线路，可以利用现成的全球网； ( 4 ) 通信协议标准、公开； ( 5 ) 设备的信息可以通过网页的形式体现，并可以使用数据、图表、动画等 各种丰富的表现方式。 总的来说，i n t e r n e t 技术和嵌入式技术的相互融合，不仅为嵌入式系统的设计 和开发带来了前所未有的发展空间和机遇，也使得 n t e r n e t 应用进入了嵌入式 i n t e m e t 时代。据网络专家预测，将来在i n t e m e t 上传输的信息中，将有7 0 的信 息来自于小型嵌入式系统【”因此，嵌入式系统的i n t e m e t 接入技术，将会有极其 广阔的应用前景，可以被广泛地应用到信息家电、网络化智能仪器仪表、远程故 障诊断、工业控制自动化等多个领域f 7 j 【s j 1 2 国内外研究现状 从技术上讲，只要在嵌入式系统内部嵌入t c p i p 协议栈，使其能够完成装载 和解释t c p i p 协议就可以实现嵌入式系统与i n t e m e t 的互联f 9 】。但目前的困难在于， i n t e m e t 上的各种通信协议对嵌入式系统中微控制器的硬件资源( 存储容量、运算 速度等) 的要求比较高，而在嵌入式系统中除部分3 2 位微处理器外，大量存在的 8 位和1 6 位微控制器，很难满足上述要求【8 】【1 0 l 。因此，如何利用嵌入式系统有限 的软硬件资源来对信息进行t c p f l p 处理。成为实现嵌入式系统i n t e m e t 接入的技 术关键。 目前，在国内外实现嵌入式系统的i m e m e t 接入主要有以下三种方案【6 】【9 l 【1 1 1 【1 2 l ： ( 1 ) p c 网关( g a t e w a y ) 与专用网结合接入i n t e m e t 此方案采用专用网络( 如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 总线等) 把一小批嵌入式系统连接在一起，然后再将该专用 网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协议数据 包，然后发至l j i n t e m e t 上以实现信息共享。该方案可以使多种嵌入式系统连至t i n t e m e t 上，但存在如下缺点： 2 第l 章绪论 需要依赖p c 机作为网关进行协议转换； 在多个嵌入式系统分散的情况下，专用网络布线极为不便； 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件 商提供，费用较高。 ( 2 ) 3 2 位嵌入式微控制器( m c u ) + 实时多任务操作系统( r t o s ) 此方案 采用3 2 位的高档m c u ，在实时多任务操作系统的平台上进行软件开发，在嵌入式 系统中实现t c p i p 的协议处理。由于3 2 位m c u 有足够的资源可以扩充利用，r a m 和r o m 可以做的足够大，整个t c p i p 协议族可以做到系统里面去，甚至可以嵌入 一个带t c p i p 协议族的操作系统，所以，3 2 位m c u 在完成复杂的设备功能的同时， 还能够较容易地进行网络通信的t c p i p 协议处理，以直接接入i n t e m e t 。该实现方 案功能完善，使用方便、简捷，但具有如下缺点： 高档单片机价格较贵，开发周期较长，开发难度较大； 需要购买昂贵的r t o s 开发软件； 对开发人员的开发能力要求较高。 ( 3 ) 8 位1 6 位m c u + 专用网络芯片此方案采用普通8 位，1 6 位嵌入式微控制器 外加专用网络芯片以实现嵌入式系统直接接入i n t e m e t 。由于t c p i p 协议是在专用 网络芯片中实现的，嵌入式微控制器只需在完成设备功能的同时，驱动网络芯片 实现t c p i p 协议，将嵌入式系统接入i n t e r n e t 。采用此方案具有如下优点： 不依赖p c 机或高档单片机； 使用外围器件少，系统成本低； 体积小，应用方便。 但是，采用此方案要求开发人员熟悉t c p i p 协议，开发上有一定难度。 适用此方案的专用网络芯片主要有u b i c o m 公司的s x 系列、s e i k o 公司的 s 7 6 0 0 a 等芯片。其中，由u b i e o m 公司生产的s x 5 2 b d 微控制器是当前应用的一 种典型产品，它以其超快的处理速度、有现成的协议模块供使用等多种独特的优 势，为嵌入式系统的i n t e m e t 接入提供了一种方便、快捷的实现方式。 本文设计的嵌入式w e b 服务器就是基于s x 5 2 b d 微控制器实现的。 3 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的提出 虽然i m e m e t 提供w w w 、s m t p 和f i p 等许多类型的服务，但是，w w w 服 务( 也叫w e b 服务) 因为其易用性和实用性，现已成为目前使用最为广泛的信息 传播技术其基于客户端和服务器端的工作模式，使得用户在客户端使用w e b 浏 览器即可方便、快捷地浏览和利用w e b 服务器端提供的各种各样的信息和服务 如果将嵌入式系统设计实现w e b 服务器功能，使得用户通过w e b 测览器即可远程 访问和控制嵌入式系统，则为嵌入式系统的i n t e n e t 的接入提供了一种简便、可靠 的解决方案【i 射。其网络拓扑结构如图1 1 所示： 工业控制设备家电仪器仪表 图1 - l嵌入式w e b 服务器网络拓扑结构图 将嵌入式系统设计实现w e b 服务器功能后，用户就可以在任何时间、任何地 点利用标准w e b 浏览器( 如i e 或n e t s c a p e 浏览器) 访问嵌入式w e b 服务器以察 看嵌入式系统的实时状态，并可对嵌入式系统进行远程监测、控制、诊断和配置 等操作。w e b 服务器可以将其提供的信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可 以是数据、文字、表格、图像或语音，信息数据可实时、自动更新，并且还可以 对嵌入式系统的操作有及时可见的反馈。 除此以外，以“嵌入式w e b 服务器”为主的解决方案还具有功能易于扩充， 符合小客户端要求以及开发成本低、使用方便等优势，使其可以在信息家电、工 业控制自动化、智能仪表及传感技术等多个领域得到广泛的应用，具有较高的理 论及应用价值1 8 l 【4 1 1 1 5 l 。 4 第1 章绪论 1 4 嵌入式w e b 服务器系统实现方案 1 4 1 系统硬件设计方案 图l - 2嵌入式w e b 服务器的硬件结构框图 图1 - 2 表示了本文所设计的嵌入式w e b 服务器的硬件结构框图。在框图中， s x 5 2 b d 微控制器是所设计的嵌入式w 曲服务器的核心，一方面，s x 5 2 b d 微控 制器内部要实现t c p i p 协议栈，并驱动网络接口控制器r t l 8 0 1 9 a s ，经耦合隔离 变压器h r 9 0 1 1 7 0 a 和以太网以实现i n t e m e t 接入；另一方面，s x 5 2 b d 微控制器 通过设计实现的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等接口与其它嵌入式系统进行数据通信。 由于以太网的广泛使用，本文选择了最为常用的i n t e r n e t 接入方式，即通过以 太网接入i n t e m e t l l 6 1 。由台湾r e a l t e k 公司生产的以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 是本 设计所选择的网络接口控制器，它集成了介质访问控制子层和物理层的功能，主 要完成网络接口层中数据帧的发送和接收n 7 1 h r 9 0 1 1 7 0 a 是由汉仁公司生产的一款耦合隔离变压器，用来对网络上的脉冲 进行转换和滤波。在它的内部集成了r j 4 5 接头，可以直接接入以太网。 外部存储器选用了m i c r o c h i p 公司出品的2 4 l c 2 5 6 串行存储器，它提供了3 2 k 字节的e 2 p r o m 空间用来存储静态w e b 网页资源。它通过f c 接口与s x 5 2 b d 微 控制器相连。 串行电平转换模块选用了m a x i m 公司出品的m a x 2 3 2 芯片。该芯片内部含有 倍增电路和转换电路，只需+ 5 v 电源供电即可实现t t l 电平到r s 2 3 2 c 电平的转 换。 5 山东大学硕士学位论文 1 4 2 系统软件设计方案 系统软件设计部分主要包括了以太网驱动程序、串1 ：3 数据的收发，i 2 c 接口的 实现以及嵌入式t c p i p 协议栈的实现等几个模块： ( 1 ) 以太网驱动程序是指s x 5 2 b d 微控制器对r t l 9 0 1 9 a s 芯片的驱动、控 制过程； ( 2 ) 串口数据的收发是指r s 2 3 2 串行通信接口收发程序的设计实现： ( 3 ) 1 2 c 接口的设计实现是指s x 5 2 b d 微控制器从串行存储器2 4 l c 2 5 6 中读 取数据的过程； ( 4 ) 在s x 5 2 b d 微控制器内部嵌入t c m p 协议栈是系统实现的关键，它主 要包括了a r p 、i c m p 、i p 、t c p 和h t t p 协议的设计与实现。 s x 5 2 b d 微控制器拥有自己独立的指令系统，其程序设计则为其指令系统所对 应的汇编程序的开发。程序开发所使用的软件为集编辑、调试和编程于一体的 s x k e yv 2 0 2 集成开发环境0 8 1 ，在软件环境中编辑、调试通过的程序可以通过编 程器s x - k e y 下载到s x 5 2 b d 微控制器的程序存储器中。 1 5 主要研究内容 本文主要研究的内容包括： ( 1 ) 根据嵌入式w e b 服务器结构特点，设计精简t c p i p 协议栈； ( 2 ) 系统硬件电路设计与制作； ( 3 ) 设计实现以太网驱动程序，完成物理层的连接； ( 4 ) 编写串口的应用程序，实现s x 5 2 b d 微控制器与其它嵌入式系统串口数 掘通信； ( 5 ) 在s x 5 2 b d 微控制器中嵌入精简t c p i p 协议栈，实现a r p 、i c m p 、i p 、 t c p 和h t t p 协议； ( 6 ) 设计实现t 2 c 接口； ( 7 ) 编写网页程序，并下载到2 4 l c 2 5 6 存储器中； ( 8 ) 系统联调，并采用抓包软件e t h e r e a l 检验整个系统的网络通信过程。 6 第2 章嵌入式w e b 服务器的硬件环境及设计实现 第2 章嵌入式w e b 服务器的硬件环境及设计实现 2 1 系统硬件环境 本文所设计实现的嵌入式w e b 服务器主要是由s x 5 2 b d 微控制器、以太网接 口控制器r t l 8 0 1 9 a s 、耦合隔离变压器h r 9 0 1 1 7 0 a 、串行存储器2 4 l c 2 5 6 以及 串行通信电平转换芯片m a x 2 3 2 c p e 构成，其硬件结构如图2 1 所示： s x 5 2 b d r t l 8 0 1 9 a s h r 9 0 11 7 0 a 图2 - 1 基于s x 5 2 b d 的嵌入式w e b 服务器的硬件电路框图 2 1 1 s x 5 2 b d 微控制器 s x 5 2 b d 微控制器是u b i c o m 公司利用先进的c m o s 技术开发的可编程通信 控制器系列中的一款芯片，它采用全新的r i s c ( 精简运算指令集) 体系结构，支 持流水线作业，具有超高速计算能力，在1 0 0 m h z 晶振的驱动下指令执行速度可 高达1 0 0 m i p s 。其内部集成了快速的片上程序存储器、数据存储器以及模拟比较 器、定时器、内部r c 振荡器等多种功能器件，在实现精简指令的同时可以尽可 能地增强其性削1 9 1 。此外，该芯片最大的特点是支持“虚拟外设一功能，即用户 可以对s x 5 2 b d 微控制器的5 个f o 端口进行灵活配置，并通过执行虚拟软件模 块以驱动i o 端口来摸拟实现硬件外设的功能f 1 9 1 虚拟外设概念的采用，使得基于s x 5 2 b d 微控制器的应用系统的大部分功能 可以依靠软件来实现，从而大大减少了硬件的数量和开发周期，降低了系统的成 本一些现成的虚拟外设可以通过函数调用的形式提供给用户，方便了用户设计， 7 山尔火学硕士学位论文 缩短了应用系统的开发周期。 目前，s x 5 2 b d 微控制器支持多个虚拟外设【2 0 1 。其中包括： ( 1 ) 通信接1 ：3 ；1 2 c 总线接1 ：3 、s p i 总线接口、u a r t 接口以及m o d e m 功能 模块； ( 2 ) t c p i p 协议栈：t c p 、i p 、a r p 、h t t p ，s m t p 、i c m p 、u d p 等协议； ( 3 ) 频率发生及测量模块。 在本文的实际开发过程中，利用到了t c p i p 协议栈中的a r p 、i c m p ，i p 、 t c p 及h t l 甲等协议模块以及f c 总线接口和u a r t 接口模块。 2 1 2 以太网控制接口 系统的以太网控制接口是由台湾r e a l t e k 公司出品的一种高集成度的全双工以 太网控制器芯片r t l 8 0 1 9 a s 实现的。该芯片具有1 6 位的数据总线和2 4 位的地址 总线，现已广泛应用于l o 兆i s a 接口网络适配器中。它具有曼彻斯特编码、冲突 检测和重发的功能，可以与很少的外围电路一起完成网络数据的发送和接收功能。 r t l 8 0 1 9 a s 采用1 0 0 引脚p q f p 封装，并具有以下主要性能【2 1 l ： ( 1 ) 与e t h e m e t i i 、i e e e 8 0 2 3 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e 5 和1 0 b a s e t 相兼容； ( 2 ) 支持8 位和1 6 位数据总线； ( 3 ) 支持跳线和非跳线模式，具有p n p 自动检铡功能： ( 4 ) 内置1 6 k b 的静态r a i v l 用于收发缓冲，降低了对主处理器的速度要求； ( 5 ) 全双工以太网功能，收发可同时达到1 0 m b p s ； ( 6 ) 具有睡眠模式以降低功耗； ( 7 ) 可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质。 r t l 8 0 1 9 a s 片内共有4 页控制寄存器，它们都映射到1 6 位加地址空间上。 外部控制器可以通过命令寄存器( c r ) 中的p s 0 、p s l 位来寻址不同的页，并通 过1 6 位i 0 端口地址来寻址页内相应的寄存器【2 l j 。r t l 8 0 1 9 a s 内部主要控制寄存 器的地址及功能可参考附录l 。 r t l 8 0 1 9 a s 内部还具有1 6 k 字节的静态r a m 用作接收和发送数掘的缓冲区， 外部控制器可以通过对该缓冲区的读写操作以实现网络数据的发送和接收。对该 r a m 的读写操作是通过d m a 操作实现的，其中，r t l 8 0 1 9 a s 对该r a m 进行的 8 第2 章嵌入式w e b 服务器的硬件环境及设计实现 d m a 操作称为本地d m a 操作，主要完成的功能包括从网络上接收数据至接收缓 冲区以及将发送缓冲区中的数据发送到网络上；而外部控制器对该r a m 进行的 d m a 读写操作则称为远程d m a 操作，主要完成的功能包括外部控制器对接收缓 冲区的中数据的读取以及外部控制器将待发送的数据写至发送缓冲区f 2 1 1 。 2 1 3 耦合隔离转换接口 系统的耦合隔离转换接口选用的是h r 9 0 1 1 7 0 a 芯片，它是由汉仁公司生产的 一款耦合隔离变压器，用来对网络上的脉冲进行转换和滤波吲该芯片的内部还 集成了r j 4 5 母接头，使其可以直接连接双绞线以接入以太网。 2 1 4 串行存储器 由m i c r o e h i p 公司生产的2 4 l c 2 5 6 芯片是系统选用的3 2 k b 的串行e 2 p r o m 存储器嘲，用于存储嵌入式w e b 服务器的网页资源。存储的网页资源包括w e b 页 面、图像文件、p d f 文档在内的等多种格式的文件 2 4 l c 2 5 6 兼容1 2 c 总线接1 ：3 来和外部控制器进行通信。 2 1 5 串行通信电平转换接口 系统的串行通信电平转换接口选用的是m a x 2 3 2 c p e 芯片，它是由m a x i m 公 司生产的一种专用串行电平转换芯片，符合所有e i ar s - 2 3 2 c 接口标准。芯片内 部含有电压倍增电路和转换电路，只需+ 5 v 电源供电即可实现t t l 电平到r s 2 3 2 c 电平的转换 2 4 1 。 2 2 硬件接口电路设计与实现 2 2 1s x 5 2 b d 硬件接口电路设计 s x 5 2 b d 微控制器的硬件接1 1 1 电路【1 9 1 1 2 5 1 如图2 - 2 所示： 9 山东人学硕十学位论文 图2 2s x 5 2 b d 微控制器硬件接口电路 主要设计方案如下： ( 1 ) 跳线j p l 是s x k e y 编程器与s x 5 2 b d 微控制器的编程接口，在向 s x 5 2 b d 微控制器的程序存储器中下载应用程序时，跳线j p 2 要断开； ( 2 ) 引脚3 和引脚4 分别外接复位电路和5 0 m h z 晶振； ( 3 ) 引脚r a 2 和r a 3 分别接m a x 2 3 2 c p e 的t i i n 和r 1 0 u t 引脚，分别用 于发送和接收r s 2 3 2 串口数据； ( 4 ) 引脚r a 4 和r a 5 分别接2 4 l c 2 5 6 的s c l 和s d a 引脚，分别用于时序 控制和数据接收； ( 5 ) 引脚r c 0 7 分别接r t l s 0 1 9 a s 的s d 0 7 共8 位数掘总线； ( 6 ) 引脚r b 0 4 分别接r t l 8 0 1 9 a s 的s a 0 4 共5 位地址总线； ( 7 ) 引脚r b 4 和r b 5 分别接r t l 9 0 1 9 a s 的i o w b 和i o r b 引脚，用于生成 1 0 第2 章嵌入式w e b 服务器的硬件环境及设计实现 对r t l s 0 1 9 a s 的读写时序信号； ( 8 ) 引脚r b 6 接r t l s 0 1 9 a s 的i o c h r d y 引脚，用于接收r t l 8 0 1 9 a s 的 读写反馈控制信号 2 2 2r t l s 0 1 9 a s 硬件电路设计实现 r t l s 0 1 9 a s 硬件接口电路设计【2 1 j 【2 5 1 如图2 3 所示： 图2 - 3r t l s 0 1 9 a s 硬件接口电路 主要设计方案如下： ( 1 ) 在嵌入式应用的场合，为了降低成本同时又减少连线，r t l s 0 1 9 a s 采用 跳线方式，芯片j p 引脚接高电平，e e c s 和p n p 引脚空接； ( 2 ) 由于s x 5 2 b d 微控制器是8 位控制器，于是选择8 位数据总线模式将 i o c s l 6 b 引脚接地，数据线s d 0 7 接s x 5 2 b d 微控制器的r c 0 7 ，引脚s d 8 i l 山东大学硕j ：学位论文 1 5 空接； ( 3 ) 在基地址选择引脚i o s 3 0 空接时，r t l 9 0 1 9 a s 的寄存器对应的i o 端 口地址则为0 x 3 0 0 h 0 x 3 i f h 。因此，将r t l 8 0 1 9 a s 的s a 0 4 地址线接s x 5 2 b d 微控制器的r b 0 4 ，s a 8 和s a 9 外接+ 5 v 高电平，其余地址线接地； ( 4 ) i o i m 和i o w b 是r t l 8 0 1 9 a s 芯片的读写信号输入引脚，分别接s x 5 2 b d 微控制器的r b 6 和r b 5 引脚； ( 5 ) i o c h r d y 引脚接s x 5 2 b d 微控制器r b 7 引脚； ( 6 ) s m e m r b 和s m e m w b 引脚均需外接+ s v 电平，关闭其m e m o r y 方 式； ( 7 ) 在跳线模式下，p l 0 、p l l 引脚决定网络接口类型，将p l 0 、p l l 悬空， 设定为自动选择方式； ( 8 ) r s t c r v 引脚接复位电路； ( 9 ) 将a u i 引脚接地，选用b n c 接口方式，支持8 线双绞线电缆，并将 r t l 8 0 1 9 a s 的t p i n + 、t p i n 、t p o u t + 和t p o u t 引脚分别与脉冲隔离变压器 h r 9 0 1 1 7 0 a 的r d + 、r d - - 、t i ) + 和t d 引脚相连； ( 1 0 ) l e d 0 、l e d i 和l e d 2 引脚外接发光二极管以显示r t l s 0 1 9 a s 的工作 状态； ( 11 ) x i o s c i 引脚接2 0 m h z 晶振，x 2 o s c o 悬空； ( 1 2 ) 由于在本设计中没有用到r t l 8 0 1 9 a s 的中断操作，所以将中断请求引 脚i n t 0 7 以及中断选择控制位i r q s 2 0 空接； ( 1 3 ) 由于在本设计中未使用b r o m ，所以将b r o m 片选引脚b c s b 及b s 4 b s o 引脚空接。 2 2 3i n l 8 0 1 9 a s 与以太网的接口 r t l s 0 1 9 a s 与以太网之间的连接是由h r 9 0 1 1 7 0 a 耦合隔离变压器完成，其 电路连接【2 l l 【2 2 】如图2 - 4 所示： 1 2 第2 章嵌入式w e b 服务器的硬件环境及设计实现 工工 0 1 u f i 0 1 u f 上 图2 - 4r t l s 0 1 9 a s 与以太网之间的接口电路 2 2 4r s 2 3 2 串行通信接口电路设计 r s 2 3 2 串行通信接i e i l 2 4 2 6 j 2 7 j 如图2 - 5 所示： 图2 - 5r s 2 3 2 串行通信接口电路 1 3 山东人学硕士学位论文 2 2 52 4 l c 2 5 6 硬件接口电路设计 串行存储器2 4 l c 2 5 6 的硬件接口例如图2 - 6 所示： 2 3 本章小结 + 5 v 图2 - 6 串行存储器2 4 l c 2 5 6 的硬件接口电路 本章详细介绍了嵌入式w e b 服务器的硬件组成及其接口电路设计，简单介绍 了s x 5 2 b d 、r t l s 0 1 9 a s 、h r 9 0 11 7 0 a 以及m a x 2 3 2 c p e 等芯片的内部结构及主 要性能，并详细介绍了各个硬件接口的设计及依据。 1 4 第3 章精简t c p i p 协议栈构建 第3 章精简t c p i p 协议栈构建 3 1t c p i p 协议 t c p i p 协议是“传输控制协议，网际互联协议”的简称，泛指所有与i n t e m e t 有关的网络协议族。它代表了整个t c p i p 协议体系，不仅仅包括了t c p 和口两 个协议，而且还包括了a r p 、i c m p 、u d p 等多个协议【2 引。 t c p i p 协议是i n t e m e t 上最基本的网络通信协议，它是实现互连网络连接性和 互操作性的关键随着i n t e r n e t 的不断发展和广泛应用，t c p i p 协议已成为事实上 的网络协议体系标准 2 9 1 因此，要实现嵌入式系统的i n t e m e t 接入，就必须在嵌入 式系统内部嵌入t c w i p 协议栈。 3 1 1 t c p i p 参考模型 代表t c p i p 协议层次结构的t c p i p 参考模型是由基于硬件层次上的四个概 念性层次，即网络接口层、互联网层、传输层和应用层构成的e 3 0 l 。在这四个层次 中，每一层都有特定的功能，一方面，它直接利用下一层提供的服务来实现本层 的功能；另一方面，又通过相邻层之间的接口为上一层提供服务。 通信的双方在相同层之间进行通话，通话规则和协定就是该层的协议。t c p i p 参考模型中的每一层都包含有一个或多个协议，而各个层对应的协议的总和就构 成了t c p i p 协议栈，或称作t c p f l p 协议体系t c p i p 参考模型以及t c p i p 协议 体系的层次结构及其对应关系如图3 1 所示： 参考模型 应用层 传输层 互联网层 网络接口层 协议体系 h 1 t p t e l n e t ，s m t p s n m p 、f 1 r p d n s 等。 a r p1 i pu 竺 以磐i 令嚣ia r p a n e t 8 0 2 3 8 0 25 1i 图3 - lt c p i p 参考模型以及t c p i p 协议体系的层次结构及其对应关系 1 5 山东人学硕士学位论文 t c p a p 参考模型的每一层都负责不同的功能【2 9 邶j ： ( 1 ) 网络接口层网络接口层也称数据链路层，是t c p i p 参考模型的最底层， 主要完成的功能有：将i p 分组封装成适合在物理网络上传输的帧格式并传输； 将在物理网络上接收到的数据帧进行解封装，取出i p 分组并交给互联网层。网 络接口层所对应的协议与各个网络的具体实现有关，通常只包括网络设备的驱动 程序和对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其它传输媒介) 的物理接口 细节 ( 2 ) 互联网层互联网层又称m 层，是t c p i p 参考模型中最重要的一层，它 负责处理相邻计算机之间的通信，主要完成的功能有：从网络接口层传输来的 i p 分组要由互联网层决定是继续传给其他网络节点还是直接传给传输层：对从 传输层来的数据报文，互联网层要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送 路径，并交由相应的线路发送出去。m 协议在互联网层中最重要的协议，它定义 了数据的分组，主要完成的功能包括无连接的数据报传送、数据报寻径和差错处 理。此外，本层还定义了a r p 、r a r p 以及i c m p 等协议，以完成地址解析及传 递网络控制信息、提供差错报告等功能。 ( 3 ) 传输层传输层位于互联网层的上一层，主要负责在源主机和目的主机 的应用程序之间提供端到端的数据传输服务。在这一层上主要定义了两个传输协 议，一个是可靠的、面向连接的传输控制协议t c p 协议，它使得从一台主机 上发出的字节流能无差错地发往另一台主机；另一个协议则是不可靠的，无连接 的用户数据报协议1 7 d p 协议，它常用于那些不需要t c p 排序和流量控制能力 的应用程序。 ( 4 ) 应用层应用层是t c p i p 参考模型的最高层，它为向用户提供一组常用 的应用程序，用户可以调用这些应用程序来访问t c p i p 互联网络提供的多种服务。 应用层中主要定义了t e l n e t ，f t p 、s m t p 、d n s 、s n m p 和h t t p 协议等多个 使用广泛的协议，它们分别对应于远程终端、文件传输、电子邮件、域名服务、 简单网络管理和w e b 服务等应用。 3 1 2t c m p 协议的封装和分用 封装和分用是分层协议所采用的技术。所谓封装是指较低层协议接收到来自 1 6 第3 章精简t c p i p 协议栈构建 较高层协议的报文，并把它放在低层报文的数据部分封装意味着当数据报通过 网络协议传输时带有一系列的首部信息，其中最前面的首部信息来自物理网络帧， 其后的来自i p 协议，再后的来自传输层的t c p 或者u d p 协议，以及再往后的应 用层协议等。用户数据进入t c p i p 协议栈时的封装过程1 3 2 】如图3 - 2 所示： 用户数据 a p p 旨部 用户数据 t c p 或 应用数据 u d p 首部 j t c 喊u d p 段 ! t c p 或 m 首部应用数据 u d p 首部 m数据报 - 以太嘲 p 首部 t c p 甄 应用数据 以太网 首部u d p 首部首部 l。j 以太网 图3 - 2t c p i p 协议栈数据封装过程 当目的主机收到一个以太网数据后，数据就开始从协议栈底部向顶部上升， 同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议都要去检查报文首都中的协议标识， 以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用 3 2 1 ，如图3 3 所示： 图3 - 3t c p i p 协议栈数据分用过程 1 7 根据协议中的端 口号进行分用 根据口协议中n 协议值进行分月 根据以太网首 的帧类型进行j 中 用 山东火学硕士学位论文 3 1 3 网络数据的传输过程 网络数据的封装和分用过程说明了网络中数据的传输过程。 在数据的封装过程中【2 9 】【3 0 】： ( 1 ) 发送进程将用户数据交给应用层，并在数据前面添加应用报头( 也可以 是空的) ，然后将结果传给传输层； ( 2